成果報告書詳細
管理番号20090000000135
タイトル平成18年度-平成20年度成果報告書 「エネルギー使用合理化技術戦略的開発/エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発/革新的製銑プロセスの先導的研究」
公開日2009/8/26
報告書年度2006 - 2008
委託先名財団法人金属系材料開発センター 新日本製鐵株式会社 JFEスチール株式会社 住友金属工業株式会社
プロジェクト番号
部署名省エネルギー技術開発部 研究開発グループ
和文要約革新的製銑プロセスに関するシーズ技術の調査及び整理では、欧州現地で第1次、2次調査を実施してULCOSプロジェクトの現状を掴むとともに本プロジェクトの開発水準や省エネ・環境対応における総合的かつ世界的位置づけを確認した。また、成型炭及び炭材内装塊成化技術と実機使用の文献調査を完了しまとめた。高炉低還元材比操業のメカニズム解明と制御手段の検証では、「炭材反応挙動の解明と反応速度の定量化(北大)」により微細気孔がガス化反応に寄与することが、また「ミクロ、マクロ気孔構造を考慮した鉱石反応挙動の解明と反応速度の定量化(阪大)」により反応速度に及ぼす、微細気孔や貫通気孔の影響(貫通気孔による900℃での還元促進効果と1200℃での還元停滞抑制効果)がそれぞれ解明された。さらに、「BIS炉を用いた炭材の反応開始温度と熱保存帯温度の関係の定量化(新日鐵)」により反応開始温度が高炉使用時の熱保存帯温度を決定すること、「還元平衡点(W点)制御手段の研究(新日鐵)」によりほぼ目標通りの省エネ効果(熱保存帯温度の150℃低下と還元材比35kg/tp削減など)がそれぞれ確認された。新塊成物への新規原料適用探索では、「劣質炭材、劣質鉱石適用技術の探索(JRCM)」においてフェロコークスおよび炭材内装鉄源プロセスにおける劣質原料使用技術に関する重要情報を2編の報告書にまとめた。「劣質炭もしくはバイオマス由来炭素による反応高速化(京大)」によって劣質炭材の特異性が浸炭反応において最も顕著に現れ、炭材の適正調整によって劣質炭材の使用上限比を100%にできることが明示された。さらに「劣質鉱石を利用した酸化鉄の還元反応の高速化(東北大)」によって、劣質鉱石の石炭還元反応促進における優位性が見出され、炭材内装塊成化物の全量使用の可能性が示された。また、劣質鉱石使用フェロコークスにより、現状よりもガス化開始温度を約20℃低下できることが示された。革新的新塊成物の創製とプロセスイメージの構築では、「強度と反応性を同時に満足する塊成物の組織と構造の提示(九大、東北大)」により、熱物性値、有効拡散係数の測定に基づいた総合反応モデルの構築による新塊成物の設計指針(九大)と、CO2反応前後の微視的構造変化の観察によって構築した応力解析シミュレーションによる反応性と強度を両立する新塊成物構造指針(東北大)が提示された。「高炉内を想定した塊成物の基礎特性評価(JFE)」では、目標としたハンドリング強度DI5/6=88とベンチ規模目標強度DI150/6=82を達成し、反応性と強度を両立する新塊成物製造プロセスの実用原理を確認した。炭材及び鉱石のミクロ構造を考慮できる高炉トータルモデルの構築と還元材比への影響評価では、「炭材、鉱石のミクロ構造を考慮した新塊成物の物理特性調査と反応モデル展開(東北大)」により、新塊成物の反応挙動を表現するミクロ反応モデルを構築し、高炉内反応モデルの精度向上が図られた。「新塊成物のマクロ反応モデルの構築とトータルモデルへの組み込みによる新塊成物効果の評価(一関高専)」により、新塊成物のマクロ反応の基本構造が設計され、「炭材の高温反応と鉱石の還元のカップリング反応を考慮した総括反応速度の定量化(住友金属)」により、コークス・鉱石のカップリング反応を定量的に評価できる高炉シミュレーション技術が構築され、「高炉モデルを用いた還元材比評価技術の構築(住友金属)」によって新塊成物の反応速度の高速化と融着帯通気抵抗の大幅な改善が確認された。
英文要約A cooperative mission (NSC, JFE, SMI, and JRCM) in Europe in June 2007 revealed the strong European awareness of the global warming issue everywhere and also clarified the difference between ULCOS (Ultra Low CO2 Steelmaking) and our NEDO project. The planned information researches were also all completed.
Properties of carbonized carbon-iron agglomerate were evaluated. Metallic Fe has catalytic effect and adding metallic Fe decreases the temperature of the reaction of the carbon. The improvement of the reactivity of the carbon promotes the reduction rate of iron ore and decreases the temperature of the thermal reserve zone. The relation between the ratio of reaction rate and the temperature of the thermal reserve zone clarified the necessary condition to decrease the temperature of the thermal reserve zone. The gasification reaction simulation model of the carbon was proposed and evaluated the reactive zone in the pore. The influence of the macro pore in the agglomerate on the reduction rate and melting behavior was investigated.
The study on the influence of the carbon composite iron ore with low-grade iron ore on reduction of iron oxides and evaporation of carbon led the results: Evaporation rate was likely to reach the peak at 1000 C with dependency on the granular size of iron ore, which is remarkable at 1000 to 1100 C. The iron ore to carbon ratio of 50:50 lowered the temperature to 900 C at which the reduction rate reaches 33.3% and the metal iron production starts.
Overall reaction model of new composite material which can evaluate strength and reactivity and mathematical model for stress analysis based on homogenization method have been developed, and the design guide of new composite material was proposed with the models. A bench scale test was carried out to confirm the basic concept of the process. High strength and high reactivity new composite material could be produced.
Mixed charging operation between ore and new composite material was proposed for the low RAR operation of the blast furnace.
The reaction model of the new composite material considering the microstructure which consists of iron ore particle, carbon material particle and vacancy was developed. The mathematical model which can quantitatively evaluate coupling reaction between coke and sinter in blast furnace was also constructed. Furthermore, the investigation of reaction rate and physical property of the new composite material based on the high temperature softening-melting test under load was carried out.
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